Цікаво, що однієї тільки СРТ-симетрії досить для того, щоб були рівні одна одній маси частинки й античастинки, а також тривалості життя.

Античастинки і симетрія

Виявлено, що, за невеликим винятком, кожній елементарній частинці в мікросвіті відповідає античастинка. Частинка відрізняється від античастинки знаком всіх зарядів - електричного, баріонного, лептонного, хоч абсолютні величини у них однакові, а також дивності, магнітного моменту , зачарування і краси (див. нижче). У них вектори та мають протилежні взаємні орієнтації (див. рис.104). Але маси спокою, спін, ізоспін і тривалості життя у частинок і античастинок однакові. Іноді частинка співпадає зі своєю античастинкою, тобто їх властивості тотожні. Тоді їх називають справді нейтральними частинками. До групи цих частинок відносять фотон г, р⁰-мезон, з⁰ -мезон, J/ш-мезон, іпсилон-частинка Х.

Що назвати частинкою, а що античастинкою питання чисто умовні, стосуються домовленості. Електрон вважають частинкою, а позитрон - античастинкою, бо в нашому Всесвіті переважають саме електрони, а не позитрони. Проте з таким же успіхом електрон можна було б назвати античастинкою, а позитрон частинкою.

Отож, коли в природі існує частинка, то конче має існувати античастинка. Відкриття, зокрема, пари електрон-позитрон вказало на симетрію електричних частинок по відношенню знака їх зарядів, яка, як вже говорилось, отримала назву принципу зарядового спряження. Відповідно до цього принципу заряджені електричні частинки існують парами. Так, наприклад, у протона повинна існувати античастинка-антипротон _-1¹р ( у 1955 році антипротон був відкритий О.Чемберленом), у нейтрона - антинейтрон.

Особливо важливим було узагальнення принципу зарядового спряження на нейтральні частинки: нейтрон і нейтрино. Згодом такі частинки було відкрито, зокрема, три антинейтрино - електронне, мюонне і ф-нейтрино. З часом цей принцип був поширений і на такі характеристики елементарних частинок, як лептонний, баріонний та інші, заряди. Він колись заохотив вчених до відкриття антинейтрона та різних видів антинейтрино.

Як відомо, при зіткненні частинки з античастинкою, вони анігілюють. Внаслідок анігіляції виникають або нейтральні частинки, або пари нової частинки й античастинки. Добре відомий приклад анігіляції пари електрон-позитрон: е⁺ + е^- > г + г. Процес розпаду нейтрального мезона відбувається через проміжну стадію анігіляції: р° > р +> г + г .

Анігіляція якоїсь частинки може відбуватися зі своєю античастинкою. Проте при анігіляції важких частинок і античастинок виникають не стільки г-кванти, скільки інші легкі частинки. Це тому, що анігіляція електрона з позитроном здійснюється внаслідок електромагнітної взаємодії, тоді як анігіляція більш важких частинок і античастинок (адронів) пов'язана з сильною взаємодією. Так, при анігіляції протона з антипротоном частка г-квантів значно менша за частку р-мезонів.

Наявність у природі античастинок тісно пов'язана з принципами симетрії. Без залучення античастинок рівняння, що описують різні типи елементарних частинок, були б неінваріантними відносно перетворень Лоренца. Це означає, що існування поруч з частинками античастинок у прямому сенсі пов'язано з інваріантністю фізичних законів стосовно переходу від однієї ІСВ до іншої.

СРТ-перетворення переводить елементарні частинки в античастинки. Частинка й античастинка відрізняються між собою не тільки зарядом, але й знаком енантиоморфізму (енантиоморфізми - це об'єкт і його задзеркальний двійник за умови, що сам об'єкт дзеркально асиметричний - ліва і права рукавичка). Схема розпаду античастинки зарядово спряжена зі схемою розпаду частинки. Наприклад:

µ^- > e^-+ н_м + (для частинки), м⁺ > e⁺ + + н_e (для античастинки).

Очевидне і важливе таке правило: якщо якусь частинку (групу частинок) перенести з однієї частини реакції в другу, при цьому замінивши їх античастинками, то отримаємо нове співвідношення, що виражає нову реакцію. Нехай, наприклад, виконується реакція а + b > с + d , де літерами а, b, с і d позначено якісь частинки. Нехай у цій реакції виконуються всі закони збереження і вона обов'язково відбувається. Тоді також можлива реакція а > с + d + b . Тут частинку b замінено античастинкою b .

Розглянемо конкретні приклади реакцій.

1. Візьмемо реакцію розпаду нейтрона (ІV.1). Замінивши в ній електронне антинейтрино на електронне нейтрино н_e, отримаємо

н_e + п > р + е^- .

Ця реакція взаємодії нейтрино з нейтроном з утворенням протона й електрона так само можлива, як і (ІV.1).

2. Під час комптонівського розсіювання кванта на електроні маємо

г + е^- > г + е^-

частинка г (фотон) тотожна своїй античастинці. Новий процес

e⁺ + е^- > г + г ,

що виражає анігіляцію пари електрон-позитрон з випроміненням двох г -квантів, які розлітаються в протилежні сторони, також можливий (як і вихідний).

Відомо, що позитрон і антипротон так само стабільні, як відповідні їм частинки, тому з речовиною фізики допускають існування також антиречовини. Ядра атомів антиречовини складаються з антипротонів і антинейтронів, у полі яких обертаються позитрони. Перше антиядро-аптидейтрон добули американські фізики в 1956 році. У 1969 році на прискорювачі в Сєрпухово було зареєстровано ядро антигелію , що складається з двох антипротонів і одного антинейтрона. В 1947 році там же було добуто ядро антитритію .

Можна уявити собі світ, побудований з античастинок. Це буде антисвіт. Речовина в антисвіті складатиме з антиатомів і антимолекул. Антисвіт спостерігачеві із Землі уявлятиметься так само природним, як і його власний світ. Світ і антисвіт взаємно симетричні, в антисвіті діятимуть ті ж самі правила симетрії, що і в світі. Закони природи інваріантні відносно заміни всіх частинок на відповідні їм античастинки й навпаки - всіх античастинок на відповідні частинки. Ця інваріантність - прояв на вищому рівні С-інваріантності.

Симетрія фізичних властивостей світу й антисвіту поєднується з явною асиметрією розподілу в просторі речовини й антиречовини. Так, у первинних космічних променях число антипротонів, зареєстрованих земними приладами, приблизно в 10³ -10⁴ разів менше, ніж число протонів. Причину такої асиметрії, очевидно, слід шукати у виникненні і еволюції Всесвіту. Це одна з досі нерозгаданих загадок астрофізики.

Основні закони збереження лептонного заряду (лептонів) і нуклонів (баріонного заряду) вимагають, щоб частинка й античастинка виникали одночасно й парами, а отже, речовина й антиречовина також мають виникати водночас і в рівних кількостях. Тоді стає незрозумілим механізм, який викликав розділ речовини й антиречовини в нашій Галактиці. Можливо, на антиречовину діють сили антигравітації, що призводять до розмежування речовини й антиречовини?

Зазначимо: поняття „анти” взагалі досить чітко формулюється для матеріальних частинок, але зовсім не для явищ.

Невідомі симетрії

У чому полягає глибокий зміст законів збереження електричного заряду, лептонного числа, баріонного числа, дивності та ізотопічного спіну? Чи можна пов'язати ці закони з властивостями симетрії якогось абстрактного простору? Як перейти від якогось закону до принципу симетрії, що лежить у його основі? Навіть квантова механіка не вказує цього зворотного шляху. Чи можна знайти принципи симетрії, що відповідають усім законам збереження? Ці питання - проблеми зараз ще далеко не зрозумілі, позбавлені ясності.

Невідомо, як каони, з⁰ - мезони і с- мезони сприяють піонам переносити взаємодії між нуклонами. Природа сил, які діють між нуклонами, досі нез'ясована. Відомо, що ці сили не підпорядковуються принципу суперпозиції.

Зараз про слабкі взаємодії відомо значно більше, ніж про сильні. Невідомі відмінності між властивостями слабкої взаємодії при в-розпаді і при лептонних розпадах гіперонів. Ми не знаємо, який радіус слабкої взаємодії, яким шляхом вона передається.

Проте добре вивчені електрони, нуклони, піони. Найзагадковіші мюони. Вони не вкладаються в схему елементарних частинок. Створюється враження, що мюони взагалі у природі зайві. Вони слабо взаємодіють із нуклонами, досі „безробітні”. Можливо, мюони - це електрони-гіганти, випадково створені природою?

Систематика елементарних частинок

І.Усі частинки мікросвіту (навіть неелементарні) поділяються на бозони й ферміони. Безони - частинки, які підлягають Бозе-Ейнштейна статистиці. Вони мають нульовий або цілочисельний спін. Це: гіпотетичний гравітон, фотони, піони, каони, ета-мезони, мезонні резонанси, глюони, а також античастинки всіх перелічених частинок. Стан системи бозонів описується симетричною хвильовою ш-функцією. Ферміони - елементарні частинки, які підлягають Паулі принципу і Фермі-Дірака статистиці, вони мають половинний спін. Сюди відносять: протони, електрони, нейтрони, мюони, гіперони, кварки, а також відповідні їм античастинки. Система ферміонів описується антисиметричною ш - функцією. Ферміони (наприклад, електрони і нуклони) можуть виникати тільки парами частинка-античастинка. Бозони ж можуть створюватись у довільному числі, яке сумісне з законами збереження заряду, імпульсу й енергії.

2. Поява в природі ферміонів і бозонів пов'язана не з силовими взаємодіями, а з симетрією відносно перестановок частинок одного й того самого типу, зокрема двох електронів. Це перестановна симетрія. Вона засвідчує, що фізично ніщо не зміниться, якщо дві будь-які частинки в природі (елементарні чи навіть атоми) поміняти місцями. Така симетрія означає, що всі частинки Всесвіту цілком тотожні одна одній. З іншого боку, перестановна симетрія веде до того, що всі частинки в природі поділяються на дві групи - з різними правилами поведінки в колективі. Так, електрони нібито уникають один одного. Правила (принцип заборони Паулі), що діють у їхній групі, дозволяють їм (взагалі ферміонам) заповнювати стани тільки по одинці. На одному енергетичному рівні може перебувати не більше одного ферміона з даною проекцією спіну. Цим пояснюється той специфічний факт, що електрони не розташовуються усі на самому низькому енергетичному рівні атома (тоді б зникла різноманітність елементів у природі). Зі зростанням заряду ядра заповнюють все віддаленіші від ядра оболонки, формуючи цим таблицю Д.І.Менделєєва.

У таборі бозонів діють цілком протилежні правила, які не тільки дозволяють, але навіть "рекомендують" однотипним частинкам масово заповнювати той самий квантовий стан. Ця властивість бозонів служить причиною надтекучості гелію (спін його атома нульовий) і лежить в основі роботи лазера.

3. Поклавши в основу класифікації лептонний і баріонний заряди, які зберігаються завжди, основну масу елементарних частинок розділимо на такі групи:

Фотони - кванти електромагнітного поля.

2) Лептони. Слово "лептон" (із грецької легкий) було введено в 1948 році Л.Резенфельдом для позначення будь-якого ферміона невеликої маси. Це відносно легкі частинки, хоча маси електрона й мюона дуже відрізняються одна від одної. Вони зовсім не беруть участі в сильних взаємодіях, їх спін півцілий. На сьогодні відкрито шість заряджених лептонів: електрон, позитрон, два мюони (), два таони () і шість відповідних їм нейтральних частинок: електронне нейтрино н_e й антинейтрино , мюонне нейтрино н_м й антинейтрино таонне нейтрино н_ф й антинейтрино . Нейтральні нейтрино не беруть участі і в електромагнітних взаємодіях. У лептонів не виявлено внутрішньої структури. Це справді елементарні частинки.

3) Мезони - кванти ядерного поля. Їх лептонні і баріонні заряди дорівнюють нулю. Мезони беруть участь у сильних взаємодіях. Вони мають маси, проміжні між масами електрона й протона.

4) Баріони. Їх маси не бувають меншими за маси нуклонів. Якщо всі мезони - бозони, то баріони - ферміони.

За рекомендацією радянського фізика Л.Б.Окуня (1962) мезони й баріони об'єднали в одну групу - адронів. Усі адрони проявляють активність у сильній взаємодії.

Фотони є переносниками електромагнітної взаємодії, а споріднені з ними W^± - і Z⁰-бозони - переносники слабкої взаємодії. Ці чотири частинки складають групу переносників взаємодій. Сюди відносять також глюони й гравітони.

В останній час відкрита ще одна група однорідних частинок, час життя яких має порядок 10^-22-10^-23с. Завдяки способу їх виявлення ці частинки дістали назву резонансів. Першу частинку - резонанс було відкрито при дослідженні розсіяння р⁺-мезонів протонами. Виявилося, що залежність перерізу розсіювання від енергії р-мезона нагадує собою резонансну криву. Резонанс у розсіюванні пов'язаний з тим, що при резонансній енергії розсіяння іде в два етапи: створення з (р; р) проміжної складової, яка розпадається. Цим новим короткочасним квазіпов'язаним станам ( р; р) можна приписати певну масу, спін, заряд, ізоспін, тобто розглядати як частинку - резонанс. Мабуть, це утворенння являє собою нуклон у збудженому стані подібно тому, як атом після поглинання кванта переходить у збуджений стан. Звичайно, маса резонансів перевищує масу протона і дорівнює сумі мас протона , р⁺ -мезона з врахуванням кінетичної енергії р-мезона.

Систематизуючи елементарні частинки, кожну з них слід розглядати ізольовано, при відсутності будь-яких взаємодій з іншими частинками, тобто оточення частинок повинне бути найсиметричнішим.

Існуюча класифікація елементарних частинок була запроваджена незалежно Гелл-Манном і Нишиджимою в 1955 році. Як вже згадувалося, вони ввели нову характеристику сильно взаємодіючих частинок - дивність S. Надалі, крім S, було запроваджено ще одне квантове число Y , яке дістало назву гіперзаряду й визначається співвідношенням Y = В + S. Легко впевнитися, що гіперзаряд пов'язаний з електричним зарядовим числом Q (відношення заряду частинки до величини заряду електрона) таким простим співвідношенням:

(ІV.12)

де І₃- третя компонентна ізотопічного спіну. Наприклад, для нуклонного дублета І₃ = ±1/2, В = +1, S = 0 і Q= 1 або Q = 0. Гіперзаряд має ті ж самі властивості, що й дивність, і співпадає з нею для частинок, у яких В = 0.

Числові значення характеристик елементарних частинок зведені в табл.1.

Унітарна симетрія

Запровадження квантового числа І (ізотопічного спіну) дозволило об'єднати частинки в зарядові мультиплети. Розширення схеми ізотопічного спіну привело Гелл-Манна і Ю.Неймана до створення в 1961р. теорії унітарної симетрії елементарних частинок.

Про цей вид симетрії заговорили після відкриття гіперонів та К-мезонів. Було помічено, що частинки, які відрізняються проекціями ізоспіну І і утворюють ізотопочні дублети (р або n) чи триплети (У^±, У⁰ або р^±, р⁰), мають майже рівні маси. Різниця мас у дублетах і триплетах відносно невелика і пояснюється відмінністю їх електромагнітних властивостей.

Основна ідея унітарної симетрії полягає в тому, що всі адрони можна об'єднати в групи надмультиплетів (або унітарні мультиплети). Частинки, що складають супермультиплет, повинні мати однакові спіни і парність Р. Вони можуть відрізнятися масою, електричним зарядом, гіперзарядом та ізотопічним спіном, але ці величини мають бути пов'язані між собою якимись правилами.

Розглянемо координатну площину І₃, Y. Нанесемо на цю площину всі баріони, у яких спін 1/2. Це: р, n, Л⁰, У^- , У⁰, У⁺, О^- ,О⁺. Як видно з рис.105, цей баріонний октет утворює шестикутник, у кожній вершині якого перебуває по одному баріону, а в центрі два баріони. Той факт, що всі частинки октету об'єднані в геометрично замкнуту фігуру, наводить на думку, що тут маємо справу з проявом прихованої симетрії природи. Цей висновок посилюють ще два аналогічні факти.

Виявляється, що октет частинок зі спіном J = 0, який включає в себе всі мезони й антимезони, утворює на площині І₃Y цілком такий самий шестикутник (рис.106).

Нарешті, на площині І₃Y (рис.107) зображено групу баріонів з десяти частинок - декаплет:

S = 3/2 : Д^-, Д⁰, Д⁺, Д⁺⁺, У*^-, У*°, У*⁺ , О*⁰, О*^-.

До 1964 року всі частинки-резонанси декаплета були відомі і залишилось одне незаповнене місце у вершині трикутника, що на рис.107. Це мав бути баріон зі спіном J=3/2, він мав входити в ізотопічний синглет, мати від'ємний електричний заряд і дивність S=-3. Усі ці характеристики були передбачені заздалегідь теорією унітарної симетрії. У 1964 році ця частинка дійсно була відкрита, що стало блискучим підтвердженням самої теорії. Симетрія, що знайшла свій прояв у об'єднанні мезонів і баріонів у декілька мультиплетів, - унітарна симетрія. Вона виявляє наявність внутрішнього зв'язку між частинками, що належать до різних ізотопічних мультиплетів з різною дивністю. Те, що велику кількість мезонів і баріонів з резонансами вдається звести до невеликого числа надмультиплетів, свідчить про вияв загального порядку серед частинок зі сильною взаємодією. На діаграмі QY (рис.108) ізотопічні дублети ( р; n) ( n(N), р( N⁺) - збуджені стани нуклонів), (О^-; О⁺) та ізотопічний триплет (У^± ; У°) розміщуються на горизонтальних осях. Проте ще з'являються нові дублети ( p; У⁺), ( У^-; О^-) та триплет (п, У°, О°) і синглет Л° на вертикальних осях. Для цих дублетів гіперзаряд Y відіграє роль електричного заряду. Мабуть, взаємодія, викликана гіперзарядом, призводить до нового розщеплення частинок подібно до того, як взаємодія з електричним полем веде до розщеплення нуклона на дві частинки (протон і нейтрон), які мають різні маси. Враховуючи це, частинка У° є таким самим спільником протона відносно нової взаємодії, як нейтрон відносно електричної, коли зміна маси дещо менша.

Припущення про взаємодію з гіперзарядом, яка дістала назву середньосильної взаємодії, - вихідний пункт теорії унітарної симетрії. Якщо "усунути" середньосильну й електричну взаємодії, то весь баріонний октет зіллється в одну частинку.

Кварк - лептонна симетрія

Чому так багато адронів і так мало типів лептонів? Ряснота вже відкритих (понад 200) і тих, що відкриваються сьогодні, адронів, особливо резонансів, породили серйозні сумніви щодо їх елементарності. Ці та інші нез'ясовані питання навели на думку, що адрони побудовані з декількох наделементарних фундаментальних частинок, які в 1964 році Гелл-Манн назвав кварками. Кваркова модель виявилася надзвичай плодотворною: вона пояснює не лише структуру, але й систематику й динаміку адронів, послужила грунтом для багатьох передбачень, наприклад b- і t-кварків. Гіпотеза Гелл-Манна і незалежно від нього Цвейга про існування кварків на сьогодні вважається загальновизнаною. В цій ідеї знайшла свій вираз кварк-лептонна симетрія.

Компонуючи три кварки з двома квантовими числами Й₃ і Y, можна дістати всі відомі адрони і їх античастинки. Побудову самих ”цеглинок"-кварків здійснюють шляхом їх спрощених міркувань. Частинки зображають точками на площині 1₃Y. Позаяк три фундаментальні частинки незалежні, то з міркувань симетрії їх розташовують у вершинах рівностороннього трикутника, а початок координат у центрі (рис.109). Сторона трикутника дорівнює одиниці. На діаграмі використано стандартні позначення: u, d, s для кварків і для антикварків. З рис.109 маємо.

Бачимо: кварки мають дробовий електричний заряд. Так, згідно з (ІV.12) і рис.109, заряд кварка u . Інші два кварки d і s мають заряди - 1/3 кожний. Позаяк баріонний заряд в усіх кварків становить 1/3, то кварки u і d не мають дивності (). Єдиним носієм дивності є кварк s (). Усі кварки ферміони (їх спін 1/2).

Баріон складається з трьох кварків, а антибаріон -- із трьох антикварків. У свою чергу, мезон - із кварка й антикварка, тому в них В = 0. Для баріонів маємо (скорочено): р = uud; n = udd; Л° = uds, У⁺ = uus , У° = uds, = dds, Щ ^- = sss. Цікаво, що в більшості баріонів присутні пари однакових кварків, а в гіперона Щ^- усі три кварки однакові. Гіперони Л° і У⁰ мають однакову кваркову структуру, бо кварк може перебувати в різних спінових станах. Позаяк спін Щ^- дорівнює 3/2, а всі три s-кварки перебувають в однаковому спіновому стані, то згідно з принципом Паулі кварки повинні відрізнятися один від одного якимось додатковим параметром. Так було введене нове квантове число кварків - колір, яке набуває трьох значень: жовтий, синій, червоний. Звичайно, цей колір не має жодного відношення до барв у природі. Певний тип кварків u, d і s все частіше називають ароматом. Аромат це різновидність, індивідуальність кварка. Кварки відрізняються один від одного за кольором й ароматом. Кольори антикварків - антижовтий, антисиній, античервоний.

У склад якогось баріона входять кварки тільки різних кольорів. Суттєвим є те, що в кожному баріоні перемішані три основні кольори спектра. Тому вони можуть розглядатися як "безколірні" об'єкти (суміш їх дає білий колір). Мезони також безколірні об'єкти, бо кольори кварка й антикварка в мезоні як доповняльні взаємноскомпенсовані. Також і в баріонів. Гіпотеза безколірності передбачає певні правила комплектування баріонів і мезонів із кварків, які автоматично виключають комбінації із двох і чотирьох кварків: з них не можна скласти білі кварки.

Взаємодія кварків сильна, бо інакше адрони легко можна було б розщепити на кварки. Існування їх остаточно підтвердилося відкриттям т. зв. зачарованих частинок.

Зачаровані частинки

У 1974 році в США виявлено народження нової частинки - джей-псі - мезона (j / Ш) . Її маса 6000т_е, час життя 10^-20с, спін дорівнює 1, частинка нейтральна. Позаяк J / Ш -мезони живуть відносно довго, то вони нагадують собою дивні частинки, час життя яких також здовжений. Ця обставина так само як у випадку дивних частинок вказує на заборону за якимось новим квантовим числом, порушення закону збереження якого запобігає розпаду мезонів. Відтак було введене квантове число С, що отримало назву очарування. Носієм очарування став ще один кварк (с-кварк). У кварковій моделі очарування С визначається числом кварків с і антикварків . Як дивність і парність, очарування зберігається в сильних і електромагнітних взаємодіях, але не зберігається при слабких. Закон збереження очарування пояснює тривале існування J / Ш-мезона. Електричний заряд с-кварка дорівнює 2/3.

Майже водночас з відкриттям J / Ш -мезона було встановлено, що ця частинка є тільки одним із збуджених рівнів (найпомітнішим) системи, яку назвали чармоній. Ця зв'язана структура зачарованого с-кварка й антикварка (с) нагадує собою позитроній. Чармоній може розпадатися як на адрони, так і на лептони, причому ймовірність розпаду на адрони тільки на один порядок вища за ймовірність розпаду на лептони. Виходить, у розпаді чармонію на адрони проявляється особлива, дуже слабка форма сильної взаємодії. Були відкриті також зачаровані баріони. Очарування системи сc дорівнює нулю, вона володіє т. зв. прихованим очаруванням. Мезони з явним очаруванням були відкриті у 1976 році. Це D⁰ - мезон (стуктура сd). Їх властивості були узгоджені з гіпотезою зачарованого с-кварка. В 1977 році було відкрито F⁺ -мезон (структура сs), що володіє поруч з очаруванням і дивністю. Відкриття зачарованих частинок стало експериментальним підтвердженням існування в природі с-кварка, а заодно обґрунтуванням кваркової моделі в цілому.

З урахуванням очарування супермультиплети адронів набувають вигляду об'ємних тіл у просторі (в системі координат І₃YС, де С-очарування). Зображені на рис.105-107 супермультиплети являють собою переріз таких самих многогранників площиною С=0. На рис.110 показано многогранник, що відповідає мезонному супермультиплету із п'ятнадцяти мезонів.

Між кварками в адронах існує сильне силове поле, що забороняє розщеплення їх на кварки, які утворюють адрони. Теорію цих взаємодій назвали квантовою хромодинамікою ("хромос"-колір). Відповідно до її основних ідей кварки взаємодіють, обмінюючись особливими частинками, що дістали назву глюони. Глюони - безмасові векторні частинки, які мають “кольоровий заряд" - нагадують собою фотони - у них відсутній електричний заряд і маса спокою. В процесі обміну глюонами кварки змінюють свій колір, але не аромат, сам аромат при цьому залишається весь час безколірним. Колір-основа ознака кварка в сильних взаємодіях. На відміну від фотонів, глюони взаємодіють один з одним, подібно до кварків у вільному стані глюони не бувають. Взаємодія безколірних адронів зводиться до первинних кольорових міжкваркових взаємодій. Потужні сили, що діють між адронами, - лише слабкий відголос тих сил, які діють між кварками усередині окремого адрона.

Адрони беруть участь і в слабких взаємодіях. Коли стикаються два енергійні адрони, їх кварки не вилітають, а перетворюються на інші нуклони або р-мезони. З аналізу дослідів із розсіювання адронів один на одному вдалось установити, що при зближенні кварків, взаємодія між ними зменшується. Коли відстань між кварками стає більшою за радіус адрона, притягання між ними різко зростає, так що вони не можуть віддалитись один від одного на великі відстані незалежно від їх енергії при зіткненні. Ці взаємодії здійснюються кварками, з яких складаються адрони. Якщо в сильних взаємодіях змінюється лише колір кварків, а всі інші властивості залишаються сталими, то при слабких взаємодіях кварки обмінюються проміжними важкими бозонами W^± і Z⁰. При цьому змінюється аромат кварків, тобто майже всі їхні властивості.

Як приклади розпаду внаслідок слабкої взаємодії в кварковій моделі розглянемо розпад вільного нейтрона (п > р + е^- +) і зіткнення нейтрино з нейтроном (н_е+п>р +е^-). При розпаді нейтрона один з двох його d-кварків виділяє W-мезон і перетворюється на u-кварк. У підсумку утворюється протон, у склад якого входять два u-кварки й один d-кварк. Тоді W^--мезон розпадається на електрон і антинейтрино, тобто d > и + е^- + . Зіткнення нейтрино з нейтроном зводиться до зіткнення з d-кварком, у наслідок чого d-кварк перетворюється на u-кварк і при цьому народжується електрон, тобто н_е + d > и + е^-.

У розглянутих взаємодіях (можливі й інші варіанти слабких процесів) d -кварк представляє нейтрон, а u-кварк - протон. Тож у слабких взаємодіях здійснюється певний зв'язок між кварками і лептонами. Ці два типи частинок можна розглядати як справжні елементарні. Цим самим зникають протиріччя між невеликим числом лептонів і великою кількістю адронів. Якщо число лептонів порівнювати не з числом адронів, а кварків, то стає очевидною симетрія між лептонами і кварками. Число типів лептонів (е^-, н_е, µ^-, н_µ) точно співпадає з числом типів кварків (u, d, s, с).

Проте кількість лептонів (кварків) у цій схемі виявилася неспроможною пояснити незбереження комбінованої парності у розпадах нейтральних каонів. Потрібно було принаймні шість лептонів і стільки ж кварків. Згадувалось, у 1977 році був відкритий п'ятий лептон - т.зв. таон масою 3500m_e і виявлений надважкий Y-мезон з масою 20000 т_е. З'ясувалося, що нова частинка Y-мезон має властивості, які не вкладаються в схему чотирьохкваркової моделі, тому довелося вводити п'ятий кварк b, який був названий красивим (електричний заряд - 1/3, маса ~10000m_e). Мезон Y є одним із збуджених станів зв'язаної системи b зі спіном 1. Різниця між числами b-кварків і їх антикварків називається красою. Краса зберігається при сильних і електромагнітних взаємодіях і може порушуватися при слабких взаємодіях.

Усі ці квантові числа для адронів надають можливість записати загальнішу формулу порівняно з (ІV.12) для заряду частинки

.

У випадку нуклона, зокрема, S = С = b = 0, В = +1, для протона Т₃ =+1/2, для нейтрона Т₃ =-1/2.

Невдовзі почалися пошуки шостого кварка, якого вже наперед назвали t-кварком (істинний кварк, маса ~ 22000 МеВ). У 1984 році в Фермі лабораторії на прискорювачах із зустрічними пучками з'явилися попередні повідомлення про спостереження кількох випадків народження і розпаду t-кварка. Зараз лептони і кварки - справжні елементарні частинки, тобто такі, що не мають внутрішньої структури. Правда, відповідно до деяких сучасних теоретичних побудов, існують преони - гіпотетичні частинки, з яких нібито складаються лептони і кварки. Можливо, навіть усі векторні бозони: W^±, Z°, глюони, фототони та знову ж таки гіпотетичні хіггсові бозони. Ця гіпотеза ще не має експериментального підтвердження.

Тож на сьогодні відкрито шість лептонів (e^- , µ^-, ф^-, н_e, н_µ, н_ф) і шість кварків (u, d, s, с, b, t), не рахуючи стільки само відповідних їм античастинок. Цим завершена кварк-лептонна симетрія: в природі існує шість лептонів, а всі сильновзаємодіючі частинки побудовані з шести кварків. Значення основних фізичних характеристик кварків навадені в табл. ІІ.

Майбутнє засвідчить, чи кварк-лептонна симетрія остаточна. У спеціалістів вона викликає неприхований оптимізм. На її основі побудовано єдину теорію електромагнітних і слабких взаємодій - електрослабку взаємодію: на відстанях від силового центра, менших за радіус дії слабких сил (10^-18м), різниця між електромагнітними і слабкими взаємодіями зникає. На більших відстанях, проте, різниця між ними зберігається. Вайнберг і Салам узагальнили принцип калібрувальної інваріантності таким чином, що фотон і проміжні векторні бозони (W^± і Z⁰) виявилися членами одного того самого сімейства частинок-переносників електромагнітних і слабких взаємодій. При цьому рівняння руху, що описують поведінку взаємодіючих частинок, задовольняють деякому новому принципу симетрії.

Опрацьовується також нова теоретична модель - "Велике об'єднання" і його симетрія, яка прагне поєднати електромагнітні, слабкі і сильні взаємодії. При цьому всі ці три взаємодії описуватимуться єдиним зарядом g. Те, що електромагнітні, слабкі і сильні взаємодії здійснюються з допомогою частинок з цілим спіном h, вказує на три риси єдності всіх цих взаємодій і вселяє надію в можливість у недалекому майбутньому побудови цілісної теорії раніше розрізнених частин.

В останній час робляться спроби об'єднати всі частинки фундаментальної взаємодії, включаючи гравітацію - супероб'єднання (суперсиметрія). Цим буде завершено пошук спектра елементарних частинок, з'ясовано природу електричного заряду та інших світових констант взаємодії, розкрито глибокий зв'язок між фізикою елементарних частинок і космологією. Відтак слід чекати відкриття нових елементарних частинок, нових видів сил, нових фундаментальних принципів, зокрема досі прихованих типів симетрії.

Задачі та питання

1. Пояснити залежність інтенсивності І космічного проміння від відстані h до поверхні Землі (рис.111). Чому спостерігається різка зміна І з наближення по поверхні Землі?

2. У космічних променях біля поверхні Землі число піонів у кілька разів менше, ніж число мюонів. Поясніть це.

3. Частинка р^о у ядерних фотоемульсіях не залишає помітного протяжного сліду ? . Що можна сказати про час t життя частинки?

4. Чим викликана відмінність мас протона і нейтрона?

5. Коли в дослідах Резерфорда при бомбардуванні ядер б - частинками виникали протони, то з цього робили висновок, що до складу ядра входять протони. Коли при зіткненні протонів виникають р -мезони або антипротони, то чи можна сказати, що ці частинки входять до складу протонів?

6. Ядра з надлишком протонів при перетворенні дають нейтрон і позитрон. Сприяючу чи гальмуючу роль у цих процесах відіграє кулонівське відштовхування?

7. Чому нейтрон у тритію (³Н) розпадається за 12 років, а вільний нейтрон - всього за 12 хв.?

8. Нехай енергія електрона дорівнює 1 МеВ, тоді його маса m ? 3m_о. Нехай цей електрон у полі атомного ядра втрачає енергію, що відповідає масі 2m_о. Пояснити цей процес можна двояко:

1) електрон випромінює дві частинки з ненульовою масою і протилежними за знаком електричними зарядами. Це можуть бути електрон і позитрон:

2) електрон випускає фотон (г - випромінювання), із якого потім утворюється електрон і позитрон.

Довести, що має місце процес (2).

9. Обчислити мінімальну енергію фотона, необхідну для створення нейтронів у реакції p + г> n + р⁺.

10. Яка енергія вивільнилася б при анігіляції атома антиводню з атомом звичайного водню? Енергією зв'язку атомів можна знехтувати? Що являють собою продукти анігіляції?

11. Від'ємний піон ( у стані спокою) поглинається ядром гелію. При цьому виникає реакція: Не⁴ + р^- > Не³ + n. Яка енергія виділяється?

12. К⁺ - мезон розпадається ( в стані спокою) на два піони. Обчислити кінетичну енергію W кожного піона? Різницею мас зарядженого й нейтрального піона можна знехтувати.

13. Як змінилася б тривалість життя нейтрона ( в - радіоактивних ядер), якби його розпад зумовлювався електромагнітними взаємодіями, замість слабких?

14. Яка кількість енергії вивільняється у вигляді кінетичної енергії частинок у разі розпаду: У⁺ > p + р⁰ ?

15. При анігіляції електрона і позитрона випромінюються, як правило, два або три -кванти. Як розлітаються кванти?

16. Досліди засвідчили, що р⁰ - мезони швидко розпадаються на два фотони: р⁰ > г + г . На підставі цієї реакції знайти спін j частинки р⁰ .

17. Що являє собою найпростіша реакція утворення антипротона при p-с - зіткненні?

18. У якому разі баріон може перетворитися на мезони, лептони і фотони?

19. Дано при реакції: K^о + p > У⁺ + р⁰ ; У^- > p + р⁰ ; м + p > n + н_м . У якій із них баріонний заряд не зберігається?

20. Чи існує в баріонного заряду макроскопічний аналог подібний до того, як в енергії, імпульсу й електричного заряду?

21. Чи спостерігатимуться реакції: а) p + К^- > ?^- + К⁺ + К⁰ ;

б) n + р^- > К^- + У⁰?

22. Чи відбуватимуться реально такі процеси: а) р⁺ + n > Л⁰ + К⁺;

б) р⁺ + n > Л⁰ + К^- ?

23. Який із розпадів можливий: а) м^- > e^- + г ; б) м^->e^-++н_м ?

24. Чи може електрон розпастися на нейтрино і фотон?

25. Розпад на зразок К⁺ > р⁺ + р^- + р⁰ заборонений. Який закон збереження тут не виконується?

26. Кінцевим результатом термоядерної реакції, яка відбувається в надрах Сонця, є реакція перетворення водню на гелій:

4p > He + 2e⁺ + 2х

Що розуміємо в ній під х: нейтрино чи антинейтрино?

27. Чи можливі такі розпади нуклонів: n > p + e^- + н_м і p > m + e⁺ + н_м ? Поясніть це.

28. Які з наведених нижче розпадів дозволені, а які ні? Для недозволених розпадів вкажіть закон, який порушувався б при цьому розпаді.

а) м⁺ > e⁺ + e⁺ + e^-; б) м⁺ > e⁺ +н_м + ; в) р⁺ > р⁰ + e⁺ + н_e;

г) р⁰ > м⁺ + +м^- + н_м + .

29. Які з наведених нижче реакцій під дією нейтрино заборонені і чому:

а) v_µ + p > n + µ⁺ ; б) µ⁺ > e⁺ + v_µ + v_e ; в) v_e + n > p + µ- ;

г) v_e + p >n + e^-?

30. Чи можливі такі розпади ф-лептона: ф⁺ >µ⁺+ v_µ+ v_ф , ф⁺ >р⁺ + v_ф ,

ф^- >µ^-+ v_ф ?

31. Чи має місце у природі такий розпад: У⁺ > К⁰ + p ? Чому?

32. Поясніть, чому У⁺ - гіперон не може розпастися на Л⁰ - гіперон завдяки сильним взаємодіям.

33. Які з наведених нижче реакцій дозволені з огляду законів збереження? Який із законів накладає заборону на ту чи іншу реакцію?

а) p + p > О⁰ + p + р⁺ ; б) p + р^- > К⁰ + Л⁰ ; в) p + К^- > У⁺ + р^- ;

г) n + К⁺> У⁺ + О⁰ ; д) p + г > У^- + К⁰ ; е) p + г > У^- + Л⁰ .

34. При поглинанні від'ємного піона (в стані спокою) протоном має місце реакція р^- + p > р⁰ + n + г. Перевірити в цій реакції виконання закону збереження ізотопічного спіну І і проекції І₃ ізотопічного спіну.

35. Що дістанемо в результаті застосування операції зарядового спряження до таких процесів: а) р⁰ > 2 г ; б) У⁺ > p + р⁰ ; в) Щ^- > Л⁰ + К^- ?

36. При захопленні протоном виникає нейтрон і позитивний мюон: p+>n+µ⁺. Чи означає це, що розпад n > p + µ^- + х_м дозволений? Чому ці два розпади ніколи не спостерігаються?

37. При заданому напрямі струму північний полюс магнітної стрілки повертає вліво (дослід Ерстеда). В дзеркалі стрілка компаса при незмінному напрямі струму відхиляється вправо. Виходить, картина в дзеркалі відображає процес, якого нема в природі. В чому справа?

38. Тіло падає з висоти h і наприкінці падіння має значення швидкості , де g - модуль прискорення тіл у вільному падінні. Якщо тіло кинули зі швидкістю v вертикально вгору, воно підніметься на висоту h. Яка закономірність простору-часу тут знаходить свій вияв?

39. Що являє собою обернена в часі реакція захоплення нейтрона протоном з утворенням дейтрона d й випроміненням г -кванта?

40. Яка реакція вийде внаслідок застосування операції СР до реакції p + К^-> У⁰ + р⁺ + р^- ? Якщо нова реакція можлива, то чи спостерігатиметься вона справді?

41. Яка буде реакція внаслідок застосування операції СРТ до реакції p + µ^- > n + v_µ ? Чи може ця нова реакція відбуватись у природі?

42. У якому напрямі прискорюється тіло з від'ємною масою, якщо на нього подіє якась сила?

43. Від якогось небесного об'єкта ( це може бути зоря чи окрема галактика) до нас прилітають антинейтрино. Що можна сказати про матеріальний склад цього об'єкта?

44. Піони р⁺ і р - проникають в атомне ядро й викликають його перетворення. Яка з цих частинок повинна мати для проникнення в ядро більшу кінетичну енергію? Чому?

45. Відклавши вздовж горизонтальної осі значення проекції ізоспіну І₃, а вздовж осі ординат - значення дивності S, побудуйте діаграму для частинок мезонного октету. Необхідні значення характеристик взяти із табл. 1.

46. Уявимо собі, що десь в атмосфері утворився вільний кварк. Чи може він вступити в реакцію з іншими частинками і зникнути як вільна частинка?

Відповіді до задач і запитань та вказівки до їх розв'язання

1. Крім первинного, існує вторинне космічне випромінювання. Нижче 20 км усі космічні промені вторинні.

2. Бо час життя піонів на два порядки менший, ніж у мюонів, а швидкості їх рівні.

3. Час малий, t = /c ~ 8 · 10^-17 с, де с - модуль швидкості світла у вакуумі, тому значення t незначне.

4. Дією електричних сил, що змінюють загальну енергію Е, а отже масу m_p~Е/c². Якби електричне поле виключити, то m_p і m_n були б рівні.

5. Ні. Вони народжуються при взаємодії.

6. Сприяючу цьому процесу.

7. З тритію утворюється ізотоп гелію з двома протонами ( у тритію один), тому більша частина енергії перетворення іде на долання сили відштовхування протонів. На енергію саме електрона, що вилітає, залишається її помітно менше порівняно з енергією перетворення вільного нейтрона. Відповідно до теорії час розпаду обернено пропорційний п'ятому степеню енергії частинки, що вилітає. Тому вільний нейтрон у ядрі тритію стабільніший, ніж вільний.

8. У вакуумі фотон г- випромінювання сам по собі ніколи не перетворюється на пару частинок, бо це не радіоактивний розпад речовини. Він є наслідком впливу сильного швидкозамінного поля на фотон г- випромінювання під час пролітання поблизу атомного ядра.

9. 141,7 МеВ.

10. 1877,6 МеВ; піони, протони.

11. 119 МеВ.

12. 108,5 МеВ.

13. Розпад відбувся б у десятки мільярдів разів швидше. Вільний нейтрон існував би не 16 хв., а 10^-17 с.

14. 115,7 МеВ.

15. Або в протилежних напрямах (два г-кванти), або під кутом 120⁰ один до другого (три кванти). Це наслідок закону збереження імпульсу.

16. г=0, бо спін кожного фотона дорівнює 1, а вони в наведеній реакції компенсують один одного (розлітаються в протилежні боки).

17. p+p>p+p+p+. Вказівка. Врахувати закон збереження баріонного заряда.

18. Тоді, як вступає в реакцію з антибаріоном. У цьому разі до і після реакції баріонний заряд В = 0.

19. У другій.

20. Не існує.

21. а) S : 0 + 0 > ( -1) + 1 б) Ні. Заборонена законом

22. Реакція а) можлива, бо баланс дивності витримано, а реакція б) не можлива з тих самих міркувань.

23. а) ні; б) так.

24. Ні, не може, бо зникнув би один від'ємний електричний заряд.

25. Електричного заряду.

26. Нейтрино v_e . Це випливає з закону збереження лептонного заряду L:

0 = 0 + 2 (-1) + 2 ( +1).

27. Ні. Електронне і мюонне нейтрино ( також їх античастинки) не тотожні.

28. Дозволені а) і в), не дозволені б) і г). У розпаді г) порушується закон збереження маси-енергії.

29. Реакція б), де порушено закон збереження лептонних ( L_e, L_µ ) зарядів, і реакція в) з тієї ж причини.

30. Два перші так, третій ні ( порушення балансу L_µ ).

31. Ні: тут зберігається дивність і баріонний та електричний заряди, але вона заборонена законом збереження маси-енергії. Справа маса більша, ніж зліва.

32. Розпад У⁺>Л⁰ + e^- + v_e здійснюється завдяки слабким взаємодіям (присутність лептонів).

33. Дозволені реакції в) і г). Інші заборонені.

34. І : 1 +1/2 = 1+1/2; І₃ : -1+1/2 =0-1/2.

35. Матимемо: а) р⁰ > 2г, б) > + р⁰ , в) > + К^-.

36. Ні. В обох реакціях порушується закон збереження енергії.

37. Замінивши стрілку компаса коловим струмом, упевнимося, що при відбитті в дзеркалі зміниться напрям струму. Відтак північний полюс стрілки збереже той самий напрям, що й сам об'єкт.

38. Симетрія відносно обернення часу.

39. Це буде така реакція: d + г > p + n.

40. Матиме місце така реакція: + р^- + р⁺ > + К⁺. Реакція можлива, але рідкісна, бо зіткнення трьох частинок менш ймовірне, ніж зіткнення двох.

41. Врахувавши те, що при дзеркальному відбитті напрями полярних векторів, зокрема імпульсу частинки, не замінюються (вектори паралельні до площини дзеркала), а аксіальні вектори змінюють свій напрям на протилежний, змінивши частинки античастинками, матимемо + µ⁺ > n⁺ + . Тут також враховано, що v_µ -лівосторонній гвинт. Нова реакція можлива.

42. У протилежному діючій силі напрямі.

43. Цей об'єкт утворений з антиречовини.

44. р⁺. Надлишок енергії іде на здолання кулонівського відштовхування позитивно зарядженого ядра.

45. Див. рис. 112.

46. Ні: дробове число в сумі з цілим, що представляє не кваркову частинку, дає дробове, тобто знову кварк.

Размещено на Allbest.ru

...